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铁电超薄薄膜中强极化可持续性研究取得进展
 
2017-11-17 | 文章来源:固体原子像研究部        【 】【打印】【关闭

  沈阳材料科学国家(联合)实验室固体原子像研究部马秀良研究员、朱银莲研究员及博士生张思瑞等人近日在超薄铁电薄膜中发现强极化的可持续性现象。

  超薄铁电体在超级电容器等微纳电子领域有着广泛的应用前景。早在上世纪70年代人们就认识到铁电薄膜中存在着一个临界尺寸,当薄膜厚度小于这个临界尺寸时,退极化场的存在使得铁电薄膜的极化降低或者消失。如何维持并进一步增强一定厚度范围内超薄铁电体的极化是该领域长期以来面临的基础性科学难题。

  中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室固体原子像研究部的界面结构研究团队长期致力于材料基础科学问题的电子显微学研究,经过多年的学术积累,他们在解决上述科学难题方面近来取得重要进展。马秀良研究员、朱银莲研究员和博士生张思瑞等人提出充分利用异质界面两侧不同的自由度,并且利用电极能够屏蔽退极化场的存在等原理,构筑了PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3铁电电极界面体系。利用具有亚埃尺度分辨能力的像差校正透射电子显微术,发现不同厚度的PbTiO3超薄薄膜自界面至表面均存在着面外晶格常数增强的现象,更进一步发现,对于1.2nm 厚的PbTiO3薄膜,其极化强度增大到50μC cm−2,随着薄膜厚度逐渐增加,极化也随之增大;当薄膜厚度大于等于10nm 时,极化强度可达到100μC cm−2,远超出块体极化值。基于X射线光电子谱分析,提出异质界面极化巨大增强的电荷传递机制。该研究结果不仅解决了10纳米以下厚度范围超薄铁电体极化可维持性的难题,也为探索新型铁电界面效应提供了崭新思路,对发展超薄纳米铁电器件具有重要意义。

  该项研究得到了国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目以及科技部973计划等资助。相关成果于10月25日在Advanced Materials上在线发表(DOI: 10.1002/adma.201703543)。

  该项工作的全文链接(PDF文件)

图1、3.6nm PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3薄膜界面处的晶格参数和应变分析。显示出PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3薄膜界面处面外晶格常数(g)以及四方性(h)显著增加。

图2、不同厚度(1.2nm, 2nm, 6nm, 10nm, 15nm)PbTiO3薄膜的晶格常数(a、b)以及四方性(c)变化,PbTiO3/La0.7Sr0.3MnO3界面处都存在面外晶格显著拉长现象,四方性(d)以及(e)随着厚度的变化显示出当薄膜厚度为1.2nm时极化强度为50μC cm−2

 

文档附件
铁电超薄薄膜中强极化可持续性研究进展.pdf
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